丁金濤，陳志剛，張麗娜

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

槳扇發(fā)動機兼具渦槳發(fā)動機耗油率低、起降性能好、低空低速性能好和渦扇發(fā)動機巡航高度高、巡航速度快的優(yōu)點，是現(xiàn)在各國正在加緊研發(fā)的新型發(fā)動機。

國外槳扇發(fā)動機的技術研究起步于20世紀70年代，目前比較典型的代表有前蘇聯(lián)的NK-12和NK-93、烏俄合作研制的D-27及歐美發(fā)展的GE-36、578-DX等，其中D-27是目前世界上唯一裝機投入使用的槳扇發(fā)動機[1]。國內(nèi)槳扇發(fā)動機相關研究比較薄弱，與國外技術差距較大。

槳扇發(fā)動機的槳扇槳葉有單排或雙排兩種，雙排對轉(zhuǎn)槳扇具有高速巡航速度時高飛行效率的優(yōu)點，與單排槳扇相比，雙排槳扇的效率要高8%。迄今世界上已經(jīng)出現(xiàn)過的槳扇發(fā)動機，基本是采用雙排對轉(zhuǎn)槳扇構型。對于齒輪驅(qū)動雙排對轉(zhuǎn)槳扇構型的發(fā)動機，共軸對轉(zhuǎn)減速器的研究是其關鍵技術之一，減速器設計決定了前后排槳扇的功率分配比例，而前后排槳扇的功率比對槳扇發(fā)動機性能影響大，以工作狀態(tài)最優(yōu)來分配，帶來的發(fā)動機推力變化量可達到5%以上[2]。

筆者首先對國內(nèi)外槳扇發(fā)動機共軸對轉(zhuǎn)減速器的研究現(xiàn)狀進行了分析總結,在此基礎上對共軸對轉(zhuǎn)減速器的典型構型進行了分析，總結了共軸對轉(zhuǎn)減速器主要設計特征，最后就輪齒形式、均載方法進行了具體分析。

1 共軸對轉(zhuǎn)減速器研究現(xiàn)狀

國外關于雙自由度共軸對轉(zhuǎn)減速器的研究起步較早，最早可追溯至20世紀50年代前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設計局研制的NK-12渦槳發(fā)動機，該發(fā)動機采用基于差動行星傳動的雙自由度共軸對轉(zhuǎn)減速器，傳遞功率達10295 kW。

自20世紀80年代初開始，歐美和前蘇聯(lián)等西方各國開展了多個槳扇發(fā)動機驗證機和型號研制工作。如普惠公司、艾利遜公司和漢密爾頓公司聯(lián)合研制的578-DX槳扇發(fā)動機，前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設計局研制的三轉(zhuǎn)子齒輪傳動槳扇發(fā)動機NK-93等。578-DX采用雙自由度共軸對轉(zhuǎn)減速器，為提高對轉(zhuǎn)減速器的可靠性及性能，實施了先進減速器技術(AGBT)計劃，目的是使最新的分析技術、先進的材料應用于槳扇發(fā)動機對轉(zhuǎn)減速器中。艾利遜公司以AGBT技術為基礎開發(fā)了一款7 650kW的雙自由度共軸對轉(zhuǎn)減速器裝配于578-DX槳扇發(fā)動機，并于1989年在MD-80飛機上完成了飛行驗證試驗。NK-93發(fā)動機吸取了以往多款發(fā)動機(如NK-62、NK-110)的技術和經(jīng)驗，截至1993年，NK-93各部件及整機試驗累積達2 500 h，至1997年，已制造7臺原型機并進行了地面試驗，1臺發(fā)動機裝在伊爾-76飛行試驗平臺進行了飛行試驗[3]。

20世紀90年代初，由于槳扇發(fā)動機自身存在的噪聲、振動、安裝方式、結構完整性和安全性等方面的問題，加上國際石油市場趨于穩(wěn)定，美歐多個槳扇發(fā)動機驗證機研制計劃相繼中斷，只有烏俄合作研制的用作中型運輸機安-70/70T、別-42和安-180新一代動力裝置的D-27槳扇發(fā)動機，取得成功并投入使用，也是目前世界上唯一投入使用的槳扇發(fā)動機。

日本川崎重工于2007年開始對槳扇發(fā)動機的共軸對轉(zhuǎn)減速器開展系統(tǒng)研究[4-6]，針對槳扇發(fā)動機所需的輕質(zhì)和高可靠度的減速器，重點解決其對準偏差影響齒輪可靠性的難題。于2011年設計、加工出一臺20 000HP功率等級的槳扇發(fā)動機共軸對轉(zhuǎn)減速器，2012年完成了減速器的磨合試驗、額定性能試驗、效率試驗及持久試車試驗。

我國槳扇發(fā)動機相關研究比較薄弱，直到2010年及以后才有國內(nèi)學者開始關注槳扇發(fā)動機在減少燃油消耗、降低排放等方面的優(yōu)勢。在齒輪傳動系統(tǒng)設計上，目前有侯明曦等對槳扇發(fā)動機等速對轉(zhuǎn)行星齒輪箱進行了研究[7]：對齒輪疲勞強度、行星軸承壽命和傳動系統(tǒng)潤滑技術進行了分析，并開展了行星齒輪傳動系統(tǒng)的初步設計。北京航空航天大學單鵬教授對槳扇發(fā)動機共軸對轉(zhuǎn)減速器傳動原理進行了研究[8]，并推導了齒輪輪齒參數(shù)與性能參數(shù)的匹配關系。

2 共軸對轉(zhuǎn)減速器典型構型分析

槳扇發(fā)動機的共軸對轉(zhuǎn)減速器用于匹配發(fā)動機轉(zhuǎn)子或動力渦輪和雙排槳扇協(xié)同工作，其構型直接影響減速器性能的優(yōu)劣，NASA和普惠公司對共軸對轉(zhuǎn)減速器構型進行了大量的研究，研究得出差動行星傳動在重量、效率、壽命、成本等方面優(yōu)勢突出，是最合適的構型[9]，目前國外幾款典型的槳扇發(fā)動機減速器均采用同軸式差動行星輪系構型，減速器結構示意圖見圖1～4。

圖1 578-DX發(fā)動機對轉(zhuǎn)減速器 圖2 NK-93發(fā)動機對轉(zhuǎn)減速器

圖3 D-27發(fā)動機對轉(zhuǎn)減速器 圖4 “川崎重工”發(fā)動機對轉(zhuǎn)減速器

差動行星傳動機構為單輸入、兩路共軸輸出且轉(zhuǎn)向相反，在傳動效率、可靠性、維護性及重量方面具有較大優(yōu)勢。差動行星傳動的兩路輸出，其轉(zhuǎn)速比與功率比呈一對一關系，而與機構所傳遞的功率值完全無關。國外共軸對轉(zhuǎn)減速器主要設計特征如表1所列。

表1 國外共軸對轉(zhuǎn)減速器主要設計特征對比

差動行星輪系擁有兩個自由度，主要由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈等組成。太陽輪與發(fā)動機動力渦輪相連，并與多個行星輪嚙合，實現(xiàn)功率分流，再由行星輪帶動齒圈及行星架旋轉(zhuǎn)工作。行星架及內(nèi)齒圈分別與內(nèi)、外槳軸相連，從而實現(xiàn)共軸對轉(zhuǎn)輸出并帶動前、后排槳扇工作。

各發(fā)動機減速器具有以上共同特征的同時又各具特點，如兩路輸出有同側輸出形式(見圖5)和對側輸出形式(見圖6)；對于人字齒差動行星輪系，齒圈設計為對半分體式結構有利于裝配；軸承與軸一體化設計可減輕重量等。下面就輪齒形式、均載方法進行具體分析。

圖4 共軸對轉(zhuǎn)減速器同側輸出

圖5 共軸對轉(zhuǎn)減速器對側輸出

2.1 輪齒形式

差動行星傳動輪齒形式選擇和設計需考慮承載能力、振動及噪聲、加工制造、重量和體積等方面。NK-93和D-27減速器輪齒形式采用直齒輪，且NK-93采用的是高重合度雙壓力角直齒輪；578-DX和“川崎重工”減速器采用了分體式人字齒輪結構。

高重合度齒輪在降低輪齒應力方面具有優(yōu)勢，有利于減輕重量和延長壽命，在同等齒面寬度的情況下，高重合度齒輪相比普通正齒輪能減少應力20%～40%[10]，而且槳扇發(fā)動機減速器相比渦槳發(fā)動機減速器齒輪具有更高的節(jié)圓線速度，高重合度齒輪亦可改善輪齒動載荷。

人字齒輪具有承載能力大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小等突出優(yōu)點，可有效減小減速器的外形尺寸和重量，同時又能夠克服斜齒輪會產(chǎn)生較大軸向力這一缺點。但人字齒輪傳動時兩側斜齒同時進入嚙合，兩側斜齒的對中性問題易引起額外的附加軸向力，影響齒輪副嚙合性能。值得注意的是，人字齒行星輪系的裝配要求較高，需在比較精確的定心引導下，多組人字齒輪同時配合到位并整體裝入機匣的軸承座內(nèi)，如在裝配過程中，一個齒輪稍有偏離其旋轉(zhuǎn)中心，則整個輪系將無法落入正確的工作軌道內(nèi)，必然會出現(xiàn)輪系的卡死、干涉、偏離故障。因此，基于精確定位及嚙合調(diào)整的人字齒行星輪系的高精度裝配技術是差動行星傳動的重要內(nèi)容。

2.2 均載方法

差動行星輪系存在多路載荷，必須考慮均載設計問題。輪系均載方法主要包括柔性結構(彈性軸、柔性齒圈)均載和浮動(齒圈浮動、行星架浮動、太陽輪浮動、行星輪浮動)均載。此外，行星輪還可以裝在調(diào)心滾子軸承上實現(xiàn)行星輪“浮動”來均載。

對于直齒輪輪系，主要考慮各行星輪與相配件(太陽輪、齒圈)之間的均載問題，對于人字齒行星輪系，還需考慮人字齒內(nèi)部兩排斜齒之間的均載問題，可通過齒輪軸向浮動來實現(xiàn)均載。國外共軸對轉(zhuǎn)減速器采用的均載方法如表2所列。

表2 國外共軸對轉(zhuǎn)減速器均載方法

3 結 語

槳扇發(fā)動機以其獨特的優(yōu)勢，被視為最具前景的亞聲速航空推進系統(tǒng)之一，是未來軍用運輸機和民用干線客機理想動力選型，共軸對轉(zhuǎn)減速器為其關鍵技術之一。文中總結了共軸對轉(zhuǎn)減速器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析了其典型構型及技術特點,為槳扇發(fā)動機共軸對轉(zhuǎn)減速器的研發(fā)提供技術儲備。